自啟動吸附甲醛過濾PM2.5復合型空氣凈化器設計

沈星宇，谷敏章，吳夢洋，趙佳穎

（東南大學成賢學院 電子與計算機工程學院，江蘇 南京 210088）

1 硬件架構(gòu)分析

（1）本項目凈化器的硬件部分使用了ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S51芯片作為主控芯片。該CMOS8單片機具有速度快、功率低、性能高、抗干擾能力超強等優(yōu)點[1]。它的代碼與指令與傳統(tǒng)使用的8051能夠做到完全兼容，但與之相比，速度為后者的8～12倍。在本項目中該主控芯片實現(xiàn)了甲醛模塊和PM2.5模塊的啟動，成功使用一二級口令語音模塊進行開關(guān)設置，硬件方面聯(lián)動了風扇的啟動和LCD1602的顯示。

（2）甲醛模塊：本項目使用了嵐寶甲醛檢測模塊。工作流程如圖1所示。

圖1 ZE08-CH20型甲醛模組結(jié)構(gòu)

該甲醛檢測模塊是一個便攜式模快，具有通用型、模組小型化的特點。該傳感器模塊的工作原理是使用電化學原理，對所選取測量環(huán)境中的甲醛進行探測與處理。在溫度補償這方面，該內(nèi)部放置一個溫度傳感器來實現(xiàn)此功能，而另一方面利用了其模擬電壓輸出的方式，使用較為便利。綜合來說，這是一款靈敏度及分辨率高、功耗低、壽命長、穩(wěn)定性良好、抗干擾能力強等優(yōu)點的模塊。

（3）PM2.5監(jiān)測模塊：本項目在這方面采用了GP2Y-1010AU0F傳感器。這是一款用來感應空氣中的微小顆粒的光學空氣質(zhì)量檢測器，本項目利用其內(nèi)部的紅外線Diode與光電晶體管phototransistor，空氣中存在的PM2.5能夠借此反射光，如非常細小的煙霧顆粒與煙草顆粒也可以被察覺檢測到，通過該空氣凈化器進行吸附處理[2]。本產(chǎn)品正適合于這種小體積、質(zhì)量小、更加輕便、易于安裝的小模塊。

（4）語音模塊：LD3320。這是一款建立于“關(guān)鍵詞表”的聲調(diào)語音識別技術(shù)。工作流程如圖2所示。

圖2 語音識別芯片工作流程

該LD3320語音模塊芯片是一款囊括語音處理器與AD轉(zhuǎn)換器、咪頭（聲音輸出與麥克風接口）等外部電路，無需包括Flash與RAM在內(nèi)的其他輔助芯片，直接在集成度高的電路板上實現(xiàn)語音交互等相關(guān)功能，極其適合類似于此項目的小規(guī)模產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)[3]。在本項目的空氣凈化器中語音說出一級口令“凈化器”，指示燈亮起，繼續(xù)說出“開啟”“關(guān)閉”二詞即可自動實現(xiàn)開啟和關(guān)閉的功能。

（5）風扇模塊：5 V 12 W大功率風扇。當空氣中甲醛或PM2.5濃度高于設定值時，風扇自動反轉(zhuǎn)，將所吸的空氣通過HEPA高能活性炭吸附過濾網(wǎng)，通過吸附來實現(xiàn)空氣的凈化；直至甲醛或PM2.5濃度低于程序內(nèi)設的閾值時，風扇停止轉(zhuǎn)動。

（6）顯示模塊：1602LCD。本項目使用這種點陣型液晶來顯示字母與數(shù)字等[4]。它由大量點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。該顯示模塊每一行有16個字符液晶模塊。通過我們的編程，主控芯片利用甲醛和PM2.5模塊收集信號數(shù)據(jù)，再發(fā)送到LCD顯示模塊，模塊可依次顯示實時甲醛濃度、PM2.5，以及自己設置的可控空氣中甲醛濃度、PM2.5含量的范圍并且實時產(chǎn)生變化。

2 性能測試及應用

實際應用中，基于上述方案設計了一個實現(xiàn)顯示當前甲醛濃度、PM2.5，超過設定值自啟動風扇通過過濾網(wǎng)進行吸附并且能夠通過語音控制開關(guān)的空氣凈化器。

1、提高對往來賬款管理的重視。為更好地從源頭完善往來賬款的管理環(huán)境，應從高層到業(yè)務部門全面提高對往來賬款的重視，從制度管理和實際操作中建立完整的管理體系，進行分級、分工操作。建立以公司經(jīng)理為組長、財務負責人為副組長、相關(guān)部門負責人為成員的往來款管理小組，負責全公司往來款管理的考核和督導。基本原則是全公司業(yè)務部門以財務部為首，以財務部每月公布的往來款數(shù)據(jù)為準，按照業(yè)務歸口負責的管理制度，進行每月的管理情況通報，并對未能及時完成往來款催繳和清理工作的部門進行績效扣罰。

操作步驟如下。

啟動設備：語音輸入一級口令“凈化器”以及二級口令“開啟”。

顯示屏上顯示實時空氣中的甲醛濃度與PM2.5。

使用烙鐵觸碰潮濕的紙模擬PM2.5的變化。

數(shù)值顯示：PM2.5傳感器檢測到PM2.5升高，自啟動開啟風扇，凈化空氣，空氣通過HEPA高效過濾網(wǎng)之后，PM2.5檢測到低于標準值，風扇關(guān)閉。

使用油漆產(chǎn)生的甲醛氣體觀察顯示屏上甲醛濃度的變化。

數(shù)值顯示：甲醛傳感器檢測到甲醛濃度升高，自啟動開啟風扇，凈化空氣，空氣通過HEPA高效過濾網(wǎng)之后，甲醛濃度檢測到低于標準值，風扇關(guān)閉。

關(guān)閉設備：語音輸入一級口令“凈化器”以及二級口令“關(guān)閉”。

本文為了直觀地顯示檢測甲醛與PM2.5含量的準確度，通過采用試驗中的幾組代表性數(shù)據(jù)進行測試。測試結(jié)果如表1—2所示。

表1 起始甲醛濃度、PM2.5數(shù)值與誤差

表2 凈化后甲醛濃度、PM2.5

實驗結(jié)果證明用帶煙烙鐵靠近前后和噴油漆前后甲醛濃度、PM2.5有明顯變化，并自啟動風扇轉(zhuǎn)動，恢復預設濃度以下后再自動關(guān)閉，經(jīng)過市場上已出售的可靠的甲醛含量檢測儀和空氣凈化監(jiān)測儀檢測，結(jié)果完全符合人體健康要求。

本系統(tǒng)具備以下幾個主要性能特點：（1）結(jié)構(gòu)簡單，各個模塊分割合理，易于制作與生產(chǎn)。（2）成本低廉，與市場上昂貴的空氣凈化設備相比，該系統(tǒng)的價格更加親民。（3）功能多樣化，可以實時監(jiān)測空氣中甲醛、PM2.5濃度，并通過1602液晶屏幕顯示，做到實時查看，實時凈化，具備報警功能。

3 結(jié)語

本文介紹了一個自啟動吸附甲醛過濾PM2.5復合型空氣凈化器的設計方案，雖然市場中已經(jīng)出現(xiàn)很多類似的空氣凈化器，但相比之下此設計方案中自啟動為最大的特色，實現(xiàn)成本更低且加工制造工藝簡單，此方案對于解決現(xiàn)代人忽視空氣質(zhì)量問題具有積極意義，也十分符合如今注重健康、生活智能的新理念。

[1]何立民.單片機高級教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.

[2]謝云輝.基于單片機和GP2Y1010AU粉塵傳感器的空氣質(zhì)量檢測儀設計[D].合肥：安徽理工大學，2014.

[3]朱楠.基于單片機的語音控制開關(guān)設計[D].西安：陜西理工學院，2015.

[4]趙曉安.MCS-51單片機原理及應用[M].天津：天津大學出版社，2001.